冷水相变能热泵系统性能实验分析

武潇 吴荣华 吴昊

摘要：为解决水源热泵系统因水源水温较低和水资源匮乏而无法实施应用的难题，本文主要对冷水相变能热泵系统性能进行实验研究。提出了一种利用间歇式热融冰和机械刮冰相结合的除冰方法，实现了系统的取热结冰、除冰和再结冰的不间断循环，保证冷水相变能热泵系统连续稳定供热。同时，给出了冷水相变能系统的组成，系统的设计运行工况和运行原理，并以青岛科创蓝公司的办公楼和职工宿舍楼提供冬季供暖服务为实验对象，通过构建实验台，测试并追踪系统的运行工况和末端供热用户温度。实验结果表明，系统的运行效果良好，实际运行工况与设计工况相符，且可以保持室内供热温度稳定于18℃左右，此外，实验得出系统的能效比COP在3.38左右，具有显著的节能效益。该研究具有广阔的应用前景。

关键词：冷水相变能; 热泵系统; 制冰; 除冰; 含冰率

中图分类号： TU831.6文献标识码： A

文章编号： 10069798（2019）01010506; DOI： 10.13306/j.10069798.2019.01.019

冷水相变能相当于水温降低80℃释放出的能量，提取冷水中的相变能为建筑物供暖具有重要的节能和环保效益。如何实现系统的结冰、除冰、排冰和再结冰不间断循环是冷水相变能热泵系统实施的关键问题[1]。目前，已有的除冰方式有机械刮冰[2]，拉环刮冰[3]及液固流化床[4]等方式，螺旋刮削式凝固换热器属于机械刮冰，依靠单一的机械力刮削除冰。电机通过转轴与刮刀绞龙相连接[5]，刮刀绞龙布置在换热管内，其工作原理是电机带动刮刀绞龙在换热管内转动，刮刀刮削换热壁面，将换热管内壁上的冰层除去，使碎冰与水混合随着冷水流出[6]。拉环式清冰换热器[7]属于管外单一机械力除冰，左右封头处设置滑轮，滑轮通过拉锁与电机相接，刮环设置在拉锁上，套在换热管外部[8]，其工作原理是电机通过拉锁带动刮环沿着换热管运动，刮削附着在换热管壁上的冰层，刮削下的碎冰随着冷水流出。液固流化床除冰方法，依靠砂石的冲击力对换热管壁冰层的撞击，破坏剥离附着在换热管壁面的冰层，以达到除冰的目的。该装置的关键在于如何让砂石循环使用，该装置由旋流除砂器、调节阀和引射器组成[9]，旋流除砂器与引射器之间由调节阀连接。从换热器流出的砂石与冰水混合物进入旋流除砂器，在离心力的作用下，砂石與冰水混合物分离，砂石经引射器再次随水流进入换热器。但上述方法无法及时有效的除冰[10]，冰层附着于换热壁面上，导致换热效率急剧下降，直至堵塞，系统无法实现连续稳定运行[11]。因此，本文提出一种冷水相变能热泵系统，可实现及时有效除冰，保证系统对外连续稳定供热。该研究应用前景广阔。

1冷水相变能热泵系统

对相变取热装置，当与冷水换热的流体温度低于-2 ℃时，换热管壁上很快结冰，且冰层厚度增长迅速[12]。对管内机械刮冰和管外拉环式清冰，其依靠刮刀的强制机械力刮削冰层，对刮刀的磨损程度很大，另外其除冰效果不佳，仍然有冰层附着在换热管壁面上，且随着系统的运行，除冰效果越来越差，最后只能停机实施人工除冰。对于液固流化床方法，依靠沙子的冲击力去粉碎冰层，由于冰层较硬，很难达到设想的破坏与粉碎冰层的目的。

1.1相变能换热器结构

若想实现热泵系统的不停机运行，关键是换热壁面彻底除冰，但若仅依靠机械力刮削冰层，则无法实现彻底除冰，必须从冰层内部给予一种能量，减小冰层中水分子之间的分子作用力，再外部附以机械力除冰。因此，本研究提出了一种冷水相变能热泵系统，利用间歇式热融冰和机械刮冰方式[13]，保证系统的结冰、除冰和再结冰的不间断循环。

冷水相变机结构如图1所示，多根换热管在垂直方向上组成换热管排，刮刀固定在主轴上，主轴的一端与电机相连接，刮刀阵列的设置在换热管排之间。

其工作原理是冷水从冷水进口进入冷水储水箱，冷水经多个冷水进水口进入冷水流道中，冷水充满冷水流道，并与换热管内低于0 ℃的中介水换热，冷水释放出冷水相变能后结成冰附着在换热管壁面上，当冰层结到一定厚度，系统中的电磁阀开启，中介水与末端水换热升温后进入换热管管程，换热管壁上的冰层吸收热量松动，电机启动，刮刀绕主轴转动，刮削已经松动的冰层，达到彻底清除换热壁面冰层的效果。冰浆随着水流从冷水出口流出。

1.2冷水相变能热泵系统结构

本系统与常规水源热泵相似，不同的是多了冷水相变机[14]和融冰换热器。冷水相变能热泵系统结构如图2所示，该系统由热泵机组、冷水相变机、融冰换热器、水箱、电磁阀和水泵组成。水箱与冷水相变机通过管路连接构成冰水循环，相变能换热器与热泵机组通过管路连接构成中介水循环，热泵机组和末端用户之间构成末端水循环。此外，板式换热器的一端与中介水出水管相连通，另一端与末端出水管相连通[15]。

1.3系统运行原理

系统由4个循环组成，冷水相变循环，中介水循环、末端循环和间歇性融冰循环。系统运行原理为水箱中0 ℃的冷水经管路进入相变能换热器，在相变能换热器中与中介水换热，释放出相变能后，结成冰附着在换热管壁上，当冰层达到一定厚度，开启除冰循环，此时电磁阀开启，板式换热器引末端高温热水加热中介水，因为末端回水温度40 ℃以上，中介水很快回温，附在换热管壁上的冰吸收中介水热量，从换热管壁上脱落至冷水流道中，相变能换热器的刮刀将冰块捞起破碎，以冰水混合物的形式流回水箱，完成冷水循环。-1 ℃的中介水进入机组的蒸发器，在蒸发器中释放出热能后降为-4 ℃，-4 ℃的中介水进入冷水相变机与0 ℃左右的冷水换热，吸收相变能升为-2 ℃流出冷水相变机，由此完成中介水循环。43 ℃的末端回水经热泵的作用，升温至50 ℃用以供给用户，用户利用热能后，以43 ℃返回热泵机组，完成末端循环。

2系统实验分析

2.1实验概况

本实验为青岛科创蓝公司的办公楼和职工宿舍楼提供冬季供暖服務，项目总建筑面积6 000 m2，面积热指标为65 W/m2，总热负荷390 kW。青岛科创蓝位于位于山东省胶州市胶北工业园，地处山东半岛，四季分明，冬季最低温度一般在-10 ℃左右[16]，所处温度区间很适于热泵系统供暖空调。

该公司内有一人工湖，但该人工湖的水容量极小，水量仅可持续运行1个月（平均每天运行10 h）。根据对当地水系的实地测量，在最冷的一月份，水体温度仅为2 ℃，湖水温度较低，已经无法提取显热来为末端建筑提供供暖服务。本实验采用冷水相变能热泵系统用以冬季供暖，从湖水中提取相变能为末端供暖。

2.2实验过程

根据冷水相变能系统运行原理，绘制实验系统工艺流程图，冷水相变系统工艺流程图如图3所示。实验选用制热量为450 kW的热泵机组，冷水相变机为自行研发的换热面积为300 m2的设备。融冰换热器选用的是额定换热量为75 kW的高效板式换热器。冷水相变机和水箱之间选用两台水泵，一用一备。冷水相变机和机组之间选用3台水泵，两用一备。有两套补水系统，一个为中介定压补水，另一个为末端定压补水，补水点均位于水泵吸入点之前，按照此工艺流程图搭建实验平台。

2.3实验性能分析

2.3.1冷水相变热泵机组的COP

冷水相变系统的运行特点是结冰取热、除冰和再结冰的不间断循环，一个循环由开阀融冰和关阀结冰构成。机组在开阀融冰时处于停机状态，在关阀结冰时处于开机状态。实验测试并记录一个循环中蒸发器进出口温度和冷凝进出口温度的变化，蒸发器和冷凝器的进出口温度曲线如图4所示，分析系统的运行特点，并利用热泵厂家提供的机组软件，计算制热能效比（coefficient of performance，COP）的实时变化，机组变化曲线如图5所示。

者排放出大量冷水，造成水源水量的浪费。由于是固液两相流，冰的流动性很差，水泵的抽吸作用并不好，会出现堆积[19]或者拥积现象[20]。冰的堆积现象如图10所示，冰的拥积现象如图11所示，由于水流动性好，只留下堆积的冰。若是采取加大水量的措施，可能会出现冲出一个流道，而剩下的冰造成拥积的现象，不仅造成水量的大量浪费，而且排冰效果不佳。考虑冰的密度小而浮在水面这一优点，拟采取负压排冰措施。

4结束语

热泵作为高效、节能的热能利用设备，其热源种类丰富。从热能利用角度来看，各种形式的热源都存在一定的局限性。冷水相变能热泵系统利用水的相变能供暖，解决了热源受限的问题。通过实验，冷水相变能热泵系统运行稳定，可以保证末端用户室内温度的要求。此外，在最冷月的实验显示，热泵机组的运行COP可达3.38，效率较高，冷水相变机的传热系数为0.588 W/（m2·k），低于常规管壳式换热器。由于冰的流动性差，在冰水混合物的运输过程中，易出现堵塞问题。因此，如何做到快速有效排冰，还需要进一步深入研究。

参考文献：

[1]孙德兴， 张承虎， 吴荣华， 等. 利用冷水凝固热的热泵系统与装置[J]. 暖通空调，2006， 36（7）：4144.

[2]钱剑峰， 李丽娜， 徐莹， 等. 基于凝固热采集的非清洁水源热泵技术[J].建筑热能通风空调， 2014， 33（4）， 3639.

[3]张承虎. 提取冷水凝固潜热的换热理论与装置[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2008.

[4]孙德兴. 冷水凝固热的采集装置[P]. 中国： 1800746A， 20060712.

[5]师云涛. 提取冷水凝固热的热泵系统技术方案[J].现代制造技术与装备， 2018（5）： 140141.

[6]钱剑峰. 采集凝固热热泵系统的形式与工况分析[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2008.

[7]Latif M J， Salif G. Analysis of solidification and melting of PCM with energy generation[J]. Applied Thermal Engineering， 2006， 26（5/6）： 568575.

[8]张承虎. 一种基于管外连续机械刮冰的提取冷水凝固热装置[P]. 中国： 104197749.A， 20141210.

[9]Egolf P W， Kauffld M. From physical properties of ice slurries to industrial ice slurry applications [J]. International Journal of Refrigeration， 2005， 28（1）： 412.

[10]ZHENG Jishen， WU Ronghua， YU Hao. The research status of heat pump system and freezing latent heat pump[C]∥Proceedings of 2016 International Conference on New Energy and Sustainable Develoment. Bangkok， Thailang： NESD， 2016： 367374.

[11]陈文放.低温工况下水源热泵空调的特性研究[D]. 天津： 天津科技大学， 2013.

[12]钱剑峰.孙德兴.张承虎.采集凝固热热泵技术凝固及换热性能的理论分析[J]. 太阳能学报， 2007， 28（11）： 12001205.

[13]钱剑峰， 张承虎.孙德兴.凝固热采集换热器中层流水冻结特性研究[J].暖通空调， 2007， 37（3）： 59.

[14]吴荣华. 一种提取凝固热或制冰的热泵供热供冷系统[P]. 中国： 201610701458.9， 20160822.

[15]吴荣华. 一种冷水凝固潜热采集方法[P]. 中国： 201611267862.6， 20161231.

[16]吴荣华. 一种凝固潜热采集装置及系统[P]. 中国： 201611267872.X， 20161231.

[17]孙源渊. 寒冷地区湖水源热泵系统研究及应用[D]. 青岛： 青岛大学， 2016.

[18]刘永红， 陈沛霖.水平管道中冰浆流动的摩阻特性的实究[J]. 力学与实践， 2007， 19（6）： 3638.

[19]刘永红.冰浆流动特性和传热特性的研究[D]. 上海： 同济大学， 1997.

[20]吴荣华. 一种冷水相变能热泵系统用水循环排冰装置[P]. 中国： 201721086652.7， 20170828.

[21]吴荣华. 一种冷水相变能热泵供热分离式排冰装置及系统[P]. 中国： 201720459845.6， 20170428.